To cope with occurring traces of organic contaminants in the effluent of waste water treatment plants, ozonation is a suitable technical treatment method. However, there is an ongoing discussion about the necessity of a posttreatment of ozonation effluents to remove possible toxic ozonation by-products. This study compares a dual media filter (DMF) and a biological activated carbon filter (BAC), which were used for ozonation post-treatment, and were also designed as coagulation filters for tertiary phosphor removal. The results of this study demonstrate that both rapid filters performed similarly in respect to DOC reduction and oxygen demand, and could also be used for tertiary phosphorus removal without any impairments. A comparison of a serial mode of the DMF and the BAC with a slow sand filter, which was used as a surrogate for an infiltration pond, showed that this two-stage process could increase the degradation of the DOC, but was not able to remove the entire biodegradable DOC.

Annually, about two million mega grams of dry solids (DS) of sewage sludge accumulate in wastewater treatment in Germany. According to the Statistical Federal Office (Destatis, 2013), 1,846,441 mega grams DS of sewage sludge were utilized in 2012. Besides incineration, the exploitation of sewage sludge in agriculture as fertilizer plays a significant role. In 2012, about 600,000 (544,065) mega grams of dry sewage sludge were applied on agriculturally or horticulturally used soils, which corresponds to 30.0 % of total amount (Bundesamt, 2011, AbfKlärV, 1992). Before disposing, the sewage sludge must be dewatered which is usually executed using synthetic flocculation aids like polyacrylamide (PAM) and its derivatives (Tuan et al., 2012). According to the fertilizer ordinance, as of 01/01/2017 20 % of all compounds as well as the end product of the used synthetic flocculation aids must be degraded two years after agricultural application (DüMV, 2012). Despite this regulation, an accumulation of polyacrylamide in the soil can be expected, since it is allowed to apply 5 mega grams DS of sewage sludge per hectare in 5 years (AbfKlärV, 1992). Seybold (1994) suggests that PAM is mostly resistant to microbial decomposition and mainly physically degraded. Not the PAM but its monomer (acrylamide) is known for its neurotoxicity (LoPachin and Gavin, 2012). Even if it does not permanently accumulate in soil, a potential toxicity exists. Therefore it is desirable to substitute the synthetic polyelectrolyte by a natural based and easily bio-degradable alternative flocculation aid. Several studies investigating the flocculation properties of cationic starch have been carried out (Rath and Singh, 1997, Khalil and Aly, 2001, Haack et al., 2002, Schwarz et al., 2006, Hebeish et al., 2010, Wang et al., 2013) but not in combination as nutrient incorporating fertilizer. The scarcity of phosphate rock sources has been an important issue in the last decades (Pinnekamp et al., 2007, Kabbe, 2013) as phosphate is a key nutrient for life on earth. As Kabbe (2013) states: “It is the key element in our genome, cellular membranes, skeleton and molecule adenosine triphosphate (ATP), the organism’s main energy storage.” Phosphorus is a non-substitutable nutrient in agriculture. An application of phosphorus fertilizer manufactured from non-renewable phosphate rock due to high crop yields is inevitable (Syers et al., 2011). Approximately 80 % of mined phosphorus are used for the fertilizer industry worldwide, in Germany even 85 % (Pinnekamp et al., 2007). Cordell et al. (2009) points out that the current global resources will be depleted in 50 to 100 years. For that reason, fostering of phosphorus recovery has become a current topic in the last years. So the European project P-REX – Sustainable Sewage Sludge Management fostering Phosphorus Recovery and Energy Efficiency was coined in September 2012. 16 European partners managed by project leader Dr Christian Kabbe from Berlin Centre of Competence for Water gGmbH work on 6 different working areas trying to close the phosphorus loop (shown in Fig. 1). Besides phosphorus recovery technologies from sludge processes or incineration ash out of sewage sludge, direct application on arable land is one branch of the phosphorus cycle. Within the working area 3 (WA3), the demonstration of applicability of green polymers for sludge dewatering step is one working package (P-REX, 2013). Within P-REX, this research attempts to combine phosphorus recovery and substitution of synthetic flocculation aids using natural based (green) polymers within sewage sludge treatment. The flocculation properties of a starch based cationic green polymer will be examined by measuring selected dewaterability indicators. Diverse sludge types from 3 different German wastewater treatment plants will be analysed after applying polyacrylamide/starch blends with defined ratios. As to phosphorus recovery, the phosphate contents of treated sludge water will be measured and a possible nutrient incorporation will be surveyed.

Intelligent gekoppeltes Regenwasser- und Abwassermanagement soll Abwasserentsorgung, Gewässerqualität und Stadtklima verbessern. Das Verbundforschungsprojekt KURAS ist ein durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördertes Vorhaben, das im Juni 2013 gestartet wurde. KURAS findet in enger Zusammenarbeit zwischen Fachpartnern aus Forschung und Praxis und Berliner Entscheidungsträgern statt. Die Projektkoordination liegt bei der TU Berlin und dem Kompetenzzentrum Wasser Berlin. Das Projekt hat ein Fördervolumen von 4,5 Mio. € und wird über drei Jahre durchgeführt.

Due to intensive aeration in the activated sludge basins, a significant part of the organic matter in the wastewater often expressed as chemical oxygen demand (COD) is mineralized to the greenhouse gas CO2. Therefore the organic content in municipal wastewater is yet a widely untapped source of renewable energy. The Carismo project vision is to reduce the specific energy demand with a new treatment scheme based on a low energy microsieve separation process and at the same time, increase the specific energy recovery with an advanced separation of the organic fraction which is valorized in a digester. Therefore two treatment schemes were evaluated at lab scale and pilot scale with real wastewater. The raw wastewater contained a high COD concentration of 1000 mg/l. The first scheme treated the raw wastewater with a coagulation and flocculation step before a microsieve separation with a drum filter at 100 µm. The second scheme was similar to the first one with an additional MBBR (Moving Bed Biofilm Reactor) installed upstream the coagulation tank. The specific goal of the microsieve process was to increase the organic carbon extraction rate in scheme 1 to 60–80 %. The Pilot trial results showed an average COD extraction of 73–81 %. The average suspended solids (SS) removal was > 95 %. The soluble phosphorus removal was between 15 % and 70 % depending on the coagulant type and dose. With 20 mg Al/l, the effluent phosphorous concentration was around 2 mg/l. The MBBR upstream increased the COD transfer in the sludge by 3–8 %, but simultaneously the mineralization decreased the yield for the biogas process. This and the additional energy consumption of the aeration speaks against the separation process with an upstream MBBR.

“Life can multiply until all the phosphorus is gone, and then there is an inexorable halt which nothing can prevent. We may be able to substitute nuclear power for coal, and plastics for wood, and yeast for meat, and friendliness for isolation—but for phosphorus there is neither substitute nor replacement.” Schon Isaac Asimov erklärte die Bedeutung der Ressource Phosphor und bezeichnete sie als „life’s bottleneck“ in seinem gleichnamigen Essay von 1959. Phosphor gehört zu den wichtigsten Nährstoffen des Ökosystems Erde. Er ist ein unersetzlicher Baustein für alles Leben und stellt einen limitierenden Faktor für das Biomassepotential des Planeten Erde dar. Industriell werden Phosphaterze in Lagerstätten abgebaut, welche endlich und, sofern sedimentären Ursprungs, zunehmend mit toxischen Metallen wie Cadmium und Uran belastet sind. Durch das stetige Wachstum der Erdbevölkerung, wachsenden Wohlstand und dem damit einhergehendem steigenden Fleischkonsum, sowie den vermehrten Anbau von Pflanzen zur Energieproduktion steigt der Phosphorbedarf. Übersteigt der Phosphorbedarf die Abbau-, Aufbereitungs- bzw. Lieferkapazitäten, kommt es zu Engpässen, die unter anderem Auswirkungen auf die Ernährungssicherheit der importabhängigen Länder haben können. Da Deutschland keine natürlichen Phosphatvorkommen besitzt, muss jährlich eine enorme Menge an mineralisch gebundenen Phosphor importiert werden. In Form von phosphathaltigen mineralischen Düngemitteln wurden im Wirtschaftsjahr 2012/2013 rund 124.000 Mg P in der Landwirtschaft in Deutschland verwendet. Diese Menge müsste noch deutlich höher sein, wenn nicht bereits ein noch größerer Teil des Phosphatbedarfs der landwirtschaftlichen Nutzflächen mit Wirtschaftsdüngern und anderen organischen Reststoffen gedeckt würde. Um langfristig die Phosphatversorgung und damit die Ernährungssicherheit Deutschlands sicherzustellen, sollten neben Einsparpotenzialen bei der Verwendung auch Recyclingpotenziale nicht nur identifiziert und diskutiert, sondern auch ausgeschöpft werden. Seit mehreren Jahren gibt es umfangreiche Forschungsaktivitäten auf diesem Gebiet. Das Projekt Phosphorpotenziale im Land Berlin soll nun Aufschluss über die Phosphorströme in Berlin und deren Potenzial zur Rückgewinnung geben.

Der Großteil der bundesdeutschen Binnengewässer wird bis 2015 nicht den guten ökologischen Zustand erreichen, der von der EU-Wasserrahmenrichtlinie gefordert wird. Bisher ging man davon aus, dass die Gewässergüte in erster Linie durch Phosphor bestimmt wird. In jüngster Zeit mehrten sich aber Hinweise, dass in vielen Gewässern auch Stickstoff eine entscheidende Steuergröße der Phytoplanktonentwicklung darstellt. Daher wird die Reduzierung von Stickstoffeinträgen gefordert. Die Kosten für Maßnahmen zur Reduktion der Stickstoffeinträge aus punktuellen (beispielsweise Kläranlagen) und diffusen Quellen (beispielsweise aus der Landwirtschaft) werden um ein Vielfaches höher geschätzt im Vergleich zu Maßnahmen zur Reduktion von Phosphoreinträgen. Ob Maßnahmen zur Stickstoffreduktion ökologisch wirksam werden, kann aufgrund unzureichender Kenntnisse zur Herkunft, Umsetzung und Wirkung von Stickstoff derzeit nicht eingeschätzt werden. Daher fordern öffentliche und wirtschaftliche Maßnahmenträger nachdrücklich eine Klärung des Nutzens von Stickstoffelimination. An diesem Punkt setzt NITROLIMIT an. Es sollte eine fundierte wissenschaftliche Grundlage zur Beurteilung des Einflusses von Stickstoff auf die Gewässergüte geschaffen, die Kosten und Nutzen von Maßnahmen zur Verringerung von Stickstoffeinträgen analysiert und darauf basierend Empfehlungen für eine nachhaltige Gewässerbewirtschaftung erarbeitet werden.

Das Berliner Wissenschaftszentrum sorgt für Qualität und Kontinuität in der Beforschung wasserwirtschaftlicher Sachverhalte.

Das Element Phosphor ist für alle Lebewesen essentiell. Es ist insbesondere für den Energiestoffwechsel (ATP, ADP), das Speichern und Auslesen von Erbinformationen (DNA, RNA) sowie den Knochenbau unverzichtbar und kann weder synthetisiert noch substituiert werden. Für die Pflanzen- und Tierproduktion werden aus diesem Grund erhebliche Mengen an Phosphor benötigt. Wird dem Ackerboden durch das Pflanzenwachstum und die anschließende Ernte Phosphor entzogen, so muss dieser zum Erhalt der Ertragsfähigkeit den landwirtschaftlichen Flächen wieder zugeführt werden. Die weitverbreitete direkte Ausbringung von Klärschlamm wird zunehmend kritisch hinterfragt und ist in vielen EU Ländern deutlich rückläufig bzw. verboten. Neben der Hygieneproblematik sind hier insbesondere erhöhte Schwermetallgehalte sowie organische Schadstoffe als kritisch anzusehen. Die Zufuhr von Phosphor auf landwirtschaftliche Flächen geschieht zum Teil durch die Anwendung von Wirtschaftsdüngern aber auch durch die Zufuhr mineralischer Phosphordünger aus externen Quellen auf Rohphosphatbasis. Rohphosphate enthalten Schadstoffe wie As, Cd, Cr, Pb, Hg und U, die über den Dünger in die Nahrungskette gelangen können [1].Insbesondere Cd und U (bis zu 1.000 ppm) liegen in bedeutenden Konzentration vor [2]. Bei einer Weltjahresproduktion von 210 Millionen Tonnen und geschätzten Reserven von 67 Milliarden Tonnen ergibt sich zwar eine statische Reichweite von 320 Jahren [3]. Neu erschlossene Rohphosphatquellen sind allerdings in der Regel durch steigende Förderkosten sowie durch z.T. hohe Schadstoffgehalte gekennzeichnet. Die EU ist auf den Import von Rohphosphaten oder Phosphordüngemitteln angewiesen, da es nicht über relevante Vorkommen verfügt. Die erschlossenen Hauptvorkommen sind in China, Marokko/West Sahara, Südafrika und den USA lokalisiert. Es ergibt sich also zukünftig für die EU eine komplexe Situation auf dem Weltmarkt, da sie vollständig auf Importe angewiesen ist, und die wenigen Exportländer zum Teil einen erheblichen Eigenbedarf haben und teilweise politisch instabil sind. Aus den aufgeführten Gründen befassen sich schon seit einiger Zeit wissenschaftlich orientierte Institutionen und Unternehmen mit den Rückgewinnungspotentialen von Phosphor aus Abfallströmen. Eine Vielzahl von technischen Rückgewinnungsprozessen für Phosphor steht zur Verfügung. Trotzdem ist der Anteil von mineralischen Recyclingdüngern im Vergleich zum Phosphoreinsatz aus Mineraldüngern sehr gering. Durch das EU-Forschungsprojekt P-REX soll die Implementierung und Verbreitung technischer Phosphorrückgewinnungsverfahren vorangetrieben werden. Langfristiges Ziel ist die EU-weite Umsetzung von effektiver und nachhaltiger P-Rückgewinnung und Recycling aus dem Abwasserpfad unter Berücksichtigung regionaler Bedingungen und Bedarfe. Um dies zu erreichen werden verschiedene interdisziplinäre Ansätze verfolgt: (i) Einige vielversprechende und praxisnahe Technologien zur Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm und Klärschlammasche befinden sich zurzeit im Übergang von der Verfahrensentwicklung zur Verfahrensdemonstration oder sind bereits im Industriemaßstab im Betrieb. Die wissenschaftliche Begleitung technischer Prozesse im wirtschaftlich tragfähigen Großmaßstab soll anhand realer Daten und Erfahrungen offene Fragen im Bereich des Prozessdesigns, des Betriebs und der Leistungsfähigkeit der Prozesse klären. (ii) Die Produkte der verschiedenen Recyclingprozesse sollen systematisch untersucht und bewertet werden. Die wichtigsten Kriterien sind dabei die Pflanzenverfügbarkeit (Düngewirksamkeit) des Phosphors und ökotoxikologische Effekte (Unschädlichkeit). (iii) Marktbarrieren und Marktpotentiale für neue Recyclingtechnologien und Recyclingprodukte werden analysiert. (iv) Basierend auf den Erfahrungen und Ergebnissen sollen Strategien und Empfehlungen für eine umfassende und effiziente P-Rückgewinnung aus dem Abwasserpfad entwickelt werden. Dies schließt Ansätze für eine gezielte Marktentwicklung für unterschiedliche Regionen und Randbedingungen ein. Die Empfehlungen sollen auf EU Ebene in der Form eines Dossiers sowie eines Leitfadens vermittelt werden.

Das Element Phosphor ist für alle Lebewesen essentiell. Es ist insbesondere für den Energiestoffwechsel (ATP, ADP), das Speichern und Auslesen von Erbinformationen (DNA, RNA) sowie den Knochenbau unverzichtbar und kann weder synthetisiert noch substituiert werden. Für die Pflanzen- und Tierproduktion werden aus diesem Grund erhebliche Mengen an Phosphor benötigt. Wird dem Ackerboden durch das Pflanzenwachstum und die anschließende Ernte Phosphor entzogen, so muss dieser zum Erhalt der Ertragsfähigkeit den landwirtschaftlichen Flächen wieder zugeführt werden. Die weitverbreitete direkte Ausbringung von Klärschlamm wird zunehmend kritisch hinterfragt und ist in vielen EU Ländern deutlich rückläufig bzw. verboten. Neben der Hygieneproblematik sind hier insbesondere erhöhte Schwermetallgehalte sowie organische Schadstoffe als kritisch anzusehen. Die Zufuhr von Phosphor auf landwirtschaftliche Flächen geschieht zum Teil durch die Anwendung von Wirtschaftsdüngern aber auch durch die Zufuhr mineralischer Phosphordünger aus externen Quellen auf Rohphosphatbasis. Rohphosphate enthalten Schadstoffe wie As, Cd, Cr, Pb, Hg und U, die über den Dünger in die Nahrungskette gelangen können [1].Insbesondere Cd und U (bis zu 1.000 ppm) liegen in bedeutenden Konzentration vor [2]. Bei einer Weltjahresproduktion von 210 Millionen Tonnen und geschätzten Reserven von 67 Milliarden Tonnen ergibt sich zwar eine statische Reichweite von 320 Jahren [3]. Neu erschlossene Rohphosphatquellen sind allerdings in der Regel durch steigende Förderkosten sowie durch z.T. hohe Schadstoffgehalte gekennzeichnet. Die EU ist auf den Import von Rohphosphaten oder Phosphordüngemitteln angewiesen, da es nicht über relevante Vorkommen verfügt. Die erschlossenen Hauptvorkommen sind in China, Marokko/West Sahara, Südafrika und den USA lokalisiert. Es ergibt sich also zukünftig für die EU eine komplexe Situation auf dem Weltmarkt, da sie vollständig auf Importe angewiesen ist, und die wenigen Exportländer zum Teil einen erheblichen Eigenbedarf haben und teilweise politisch instabil sind. Aus den aufgeführten Gründen befassen sich schon seit einiger Zeit wissenschaftlich orientierte Institutionen und Unternehmen mit den Rückgewinnungspotentialen von Phosphor aus Abfallströmen. Eine Vielzahl von technischen Rückgewinnungsprozessen für Phosphor steht zur Verfügung. Trotzdem ist der Anteil von mineralischen Recyclingdüngern im Vergleich zum Phosphoreinsatz aus Mineraldüngern sehr gering. Durch das EU-Forschungsprojekt P-REX soll die Implementierung und Verbreitung technischer Phosphorrückgewinnungsverfahren vorangetrieben werden. Langfristiges Ziel ist die EU-weite Umsetzung von effektiver und nachhaltiger P-Rückgewinnung und Recycling aus dem Abwasserpfad unter Berücksichtigung regionaler Bedingungen und Bedarfe. Um dies zu erreichen werden verschiedene interdisziplinäre Ansätze verfolgt: (i) Einige vielversprechende und praxisnahe Technologien zur Phosphorrückgewinnung aus Klärschlamm und Klärschlammasche befinden sich zurzeit im Übergang von der Verfahrensentwicklung zur Verfahrensdemonstration oder sind bereits im Industriemaßstab im Betrieb. Die wissenschaftliche Begleitung technischer Prozesse im wirtschaftlich tragfähigen Großmaßstab soll anhand realer Daten und Erfahrungen offene Fragen im Bereich des Prozessdesigns, des Betriebs und der Leistungsfähigkeit der Prozesse klären. (ii) Die Produkte der verschiedenen Recyclingprozesse sollen systematisch untersucht und bewertet werden. Die wichtigsten Kriterien sind dabei die Pflanzenverfügbarkeit (Düngewirksamkeit) des Phosphors und ökotoxikologische Effekte (Unschädlichkeit). (iii) Marktbarrieren und Marktpotentiale für neue Recyclingtechnologien und Recyclingprodukte werden analysiert. (iv) Basierend auf den Erfahrungen und Ergebnissen sollen Strategien und Empfehlungen für eine umfassende und effiziente P-Rückgewinnung aus dem Abwasserpfad entwickelt werden. Dies schließt Ansätze für eine gezielte Marktentwicklung für unterschiedliche Regionen und Randbedingungen ein. Die Empfehlungen sollen auf EU Ebene in der Form eines Dossiers sowie eines Leitfadens vermittelt werden.